Neue Brennstoffe zur Umrüstung des FRM II auf niedrigere Anreicherung

Die TUM-Arbeitsgruppe „Hochdichte Kernbrennstoffe / Reaktorphysik“ stellt ihre Forschungsergebnisse auf der internationalen „European Research Reactor Conference (RRFM) “ in Helsinki vom 24. – 29. September vor. Im Jahr 2023 soll zudem grundsätzlich geklärt sein, wie der FRM II auf eine niedrigere Anreicherung umgerüstet wird.

Doktorand im Labor der Forschungsgruppe Hochdichte Kernbrennstoffe. © Bernhard Ludewig / FRM II, TUM
Im Uranlabor erforscht die Arbeitsgruppe des FRM II neue Brennstoffe für eine Umrüstung auf niedriger angereichertes Uran. © Bernhard Ludewig / FRM II, TUM

 

Internationale Konferenz in Helsinki

Kernthema der RRFM Konferenz vom 24.-29. September 2021 ist der Erfahrungsaustausch über den sicheren Betrieb von Forschungsreaktoren sowie die neuesten Forschungsergebnisse zur weltweit angestrebten Umrüstung von Hochleistungs-Forschungsreaktoren auf einen niedriger angereicherten Brennstoff.

In diesem Zusammenhang werden auf der RRFM die neuesten Erkenntnisse zur Entwicklung neuer, hochdichter Kernbrennstoffe sowie modernster Simulationsmethoden vorgestellt und diskutiert. Sowohl die Qualifizierung neuer Brennstoffe als auch präzise Computersimulationen sind essentiell für die Umrüstung speziell von Hochleistungs-Forschungsreaktoren, wie den FRM II oder den HFIR in den USA. Die TUM verfolgt die Umrüstung des FRM II auf ein Brennelement mit niedrigerer Anreicherung mit Hochdruck. So sind auch dieses Jahr TUM-Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler mit insgesamt acht Konferenzbeiträgen vertreten, einige gemeinsam mit dem französischen Brennelementehersteller Framatome CERCA.

Auf der Konferenz werden weitere Ergebnisse zu den aktuellsten Bestrahlungstests der drei Brennstoffkandidaten vorgestellt. Eine endgültige Auswertung wird voraussichtlich in 2022 vorliegen.

Die drei untersuchten Brennstoffvarianten sind:

  • eine hochdichte Variante des aktuell im FRM II verwendeten U3Si2 (hochdichtes disperses U3Si2)
  • legiertes Uran-Molybdän (U-Mo) Pulver in Al-Matrix (disperses U-Mo)
  • legiertes U-Mo in Folienform (monolithisches U-Mo)

Zusammen mit den internationalen Partnern im HERACLES Konsortium verfolgt die TUM diese drei Brennstoffvarianten gleichberechtigt.

 

Sicherheit hat oberste Priorität

„Trotz intensiver Forschungsanstrengungen der Technischen Universität München (TUM) und ihrer internationalen Partner gibt es nach dem weltweiten Stand von Wissenschaft und Technik bislang keinen Brennstoff, der für den Einsatz im FRM II qualifiziert ist. Inzwischen sind wir bei der Entwicklung eines geeigneten Brennstoffs aber auf die Zielgerade eingeschwenkt“, betont der Wissenschaftliche Direktor des FRM II, Prof. Dr. Peter Müller-Buschbaum (TUM). Bei der künftigen Entscheidung für eine Variante seien u.a. der mögliche Grad der Anreicherung, der Erhalt der wissenschaftlichen Leistungsfähigkeit der Neutronenquelle und – selbstverständlich – die uneingeschränkte Sicherheit im Betrieb zu berücksichtigen, erläutert Müller-Buschbaum.  Außerdem sind lange Stillstands Zeiten bei der Umrüstung zu vermeiden. Dies kann nur durch ein zum heutigen Kern kompatibles Szenario erreicht werden.

Basierend auf den drei potentiellen Brennstoffkandidaten erarbeitet die TUM-Arbeitsgruppe konkrete Umrüstungsentwürfe. Validiert werden diese Entwürfe einerseits durch vergleichbare aber unabhängige Simulationen am Argonne National Lab (USA), sowie durch experimentelle Überprüfung der Parameter für diese Berechnungen, u.a. an einem an der TUM im Aufbau befindlichen Messstand zu Wärmeübergangsphänomenen. Auf dieser Grundlage kann Anfang 2023 ein konkretes Umrüstungsszenario entschieden werden.

Entscheidung über Brennstoff bis 2023

Dies greift die aktualisierte Vereinbarung zur Umrüstung des FRM II auf einen Brennstoff mit einer Anreicherung von höchstens 50 % des spaltbaren Uran-235 auf. Neben der partnerschaftlichen Finanzierung der Umrüstungsanstrengungen bekräftigen Bund und Land darin erneut das Ziel die Forschungs-Neutronenquelle umzurüsten. Die Vereinbarung regelt die nächsten Verfahrensschritte auf dem Weg zu diesem Ziel. So werden sich Bund und Land spätestens 2023 auf der Grundlage der dann vorliegenden wissenschaftlichen Erkenntnisse darüber verständigen, welche der derzeit drei untersuchten Brennstoffvarianten für die Umrüstung in Frage kommt. Das Genehmigungsverfahren für die Umrüstung soll im Anschluss eingeleitet werden.

 

Weitere Informationen:

Die Technische Universität München als Betreiberin der Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) beteiligt sich aktiv an der internationalen Brennstoffforschung mit dem Ziel, neue Kernbrennstoffe mit höherer Urandichte zur Reduzierung der Anreicherung in Brennelementen von Hochleistungs-Forschungsreaktoren wie dem FRM II zu entwickeln.

Die TUM-Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Forschungsgruppe "Hochdichte Kernbrennstoffe" arbeiten hierbei eng mit einer Vielzahl internationaler Partner aus Industrie und Wissenschaft zusammen. Hierfür steht insbesondere das HERACLES-Konsortium, ein Zusammenschluss der Betreiber der europäischen Hochleistungs-Forschungsreaktoren CEA (Frankreich), ILL (Frankreich), SCK·CEN (Belgien), Technische Universität München sowie der europäischen Brennstoff-Fertiger Framatome-CERCA (Frankreich).  Darüber hinaus bestehen enge Kooperationen mit den US-amerikanischen National Laboratories Argonne National Laboratory (ANL), Pacific-Northwest National Laboratory (PNNL), Idaho National Laboratory (INL), Los Alamos National Laboratory (LANL) und Oak Ridge National Laboratory (ORNL).

Die Forschung der TUM-Arbeitsgruppe „Hochdichte Kernbrennstoffe“ wird finanziert durch eine gemeinsame Förderung des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) mit dem Bayerischen Staatsministerium für Wissenschaft und Kunst, sowie drei HORIZON-2020-Projekten der EU-Kommission (HERACLES-CP, LEU-FOREvER und EU-QUALIFY).